Bitcoiner 的股权证明指南
通常比特币爱好者对狗屎币世界中正在发生的事情不太感兴趣，但最近几个月，以太坊的合并和向权益证明的过渡也成为比特币社区的一个大话题。当然，这与比特币网络本身无关，但我认为这次“更新”还是值得关注的。既然以太坊已经完全清除了与工作量证明（PoW）相关的“不可持续”和“浪费”的做法，我们可以期待在叙事战中脱掉手套，我认为比特币人应该准备好罢工了回来。。
Bitcoiner 的权益证明指南 了解 PoS 的工作原理是了解 PoW 和 PoS 之间的差异以及各自权衡的好方法。虽然我不止一次遇到过反对 PoS 的高层论据——它意味着不同级别的访问，更加中心化和寡头——我承认，如果不研究细节，这可能看起来不太令人信服。但是，当您深入研究 PoS 算法时，您会看到所有这些属性是如何从其核心原则自然发展而来的。因此，如果您想知道 PoS 算法是如何工作的，以及为什么它会产生这些属性，请继续阅读
解决双花问题
我建议首先简要概述我们正在尝试解决的问题。假设我们有一大群加密货币网络参与者试图维护一个去中心化的账本。问题是：如何将新交易添加到每个人的账本副本中，以便每个人都同意哪些新交易是“正确的”？PoW 相当优雅地解决了这个问题：交易被分组到块中，每个块的创建都涉及大量的计算工作。所需的工作量可以根据参与者的数量和他们使用的设备增加或减少，因此平均每十分钟产生一次块，这使每个新块有足够的时间在创建下一个块之前通过网络传播。
但是假设我们现在想要放弃 Satoshi 的关键思想，该思想首先使这样的分布式系统成为可能。厌倦了这些 ASIC，吵闹而烦人，消耗的能量比乔治·索罗斯、比尔·盖茨和希拉里·克林顿的私人飞机加起来还要多。仅通过讨论这个问题，有没有办法明确地同意哪些交易应该被认为是真实的？
以太坊的股权证明通过两个关键组件解决了这个问题。首先是不时发出一种“复选框”，其目的是确保网络中的每个人在各个时间点对系统都是“真实的”。创建这样的检查点需要 2/3 的多数，因此可以保证大多数验证者同意当时账本的真实状态。第二个组成部分是惩罚用户在网络中引入歧义，这个过程称为 slashing。例如，如果验证者对现有的侧链进行分叉或投票（类似于 51% 攻击），他们将被削减，也就是说，他们将全部或部分失去他们的质押品。
这给我们带来了 PoS 的第一个原则，即 PoS 是基于一个抑制系统（基于惩罚）。这与比特币和工作量证明算法形成鲜明对比，后者是一种积极的激励系统（基于奖励）。在比特币中，矿工可以尝试打破规则——格式不正确的区块、无效交易等——但这些区块将被简单地忽略。最坏的情况是浪费能源。矿工也可以自由地从任何旧区块形成新的分支，但如果没有网络 51% 的哈希能力，这些分支将永远赶不上主分支，这再次意味着浪费能源。对于从事此类活动的矿工，无论是否有意，无需担心丢失您增持的比特币或矿机。比特币矿工可能会选择自担风险，而不是生活在恐惧中。
对于以太坊验证者来说，世界看起来完全不同。验证者没有努力工作并因使网络更安全而获得奖励，而是不做任何工作，但必须小心他们的节点不会关闭或离线，以免他们失去全部或全部储蓄部分。在对网络进行任何更改时，验证者的第一个冲动将是遵守其他人正在做的事情 – 否则他会冒着积蓄的风险。成为验证者意味着每天如履薄冰。
恐惧将使验证者受到控制
顺便说一句，根据 Vitalik 的常见问题解答，负激励系统的存在是权益证明的“优势”之一：
在 PoS 相对于 PoW 的“优势”列表中突出显示：“这就像参与 51% 的攻击会烧毁你的 ASIC 农场。”
那么，削减实际上是如何在技术层面上发挥作用的呢？我们不应该首先创建一个所有验证者的列表，以便我们有一些东西可以“削减”吗？答案是肯定的。要成为以太坊中的验证者，您必须首先将 ETH 作为“质押”的质押品转移到一个特殊的地址。该列表不仅用于削减，还用于投票，因为形成控制块需要 2/3 多数。
永久保留所有验证者的列表有几个有趣的含义。加入他们有多难？走出去有多难？验证者可以对其他验证者的状态进行投票吗？这就引出了 PoS 的第二个原则，即 PoS 是一个分层系统。
打开验证器的第一步是将一些 ETH 存入特殊合约的地址以进行质押。多少以太币？在撰写本文时，所需的最低金额为 32 ETH，或约 42500 美元。相比之下，一台像样的比特币矿机通常要花费数千美元，而家用矿机只需几百美元就可以从一台 S9 开始。公平地说，以太坊的高额入场费有一个技术原理，因为更高的质押品减少了验证者的数量，从而降低了吞吐量。
所以，事实证明，存款费用很高，但至少每个拥有 32 ETH 的人都可以随时自由加入或离开，对吧？并不真地。大量验证者同时进入或退出可能会产生安全风险。例如，如果大部分网络同时退出，他们可以双花最终区块，重播他们从未退出的分叉，并且不会在任何链上被削减。为了减轻这种风险，在入口和出口处设置了带宽限制。此限制当前设置为每个 epoch（即每 6.4 分钟）的 max(4,|V|/65536) 个验证器，并且对于登录和注销都是相同的。这大致相当于每十个月拥有一套完整的验证器。顺便说一句，即使 目前验证者可以发布退出交易并停止验证，实际提取冻结资金的代码甚至还没有编写。结果就像一首关于“加州旅馆”的歌……
最后一点是关于批准新验证者的激励措施。假设您是一家大型稳定公司的股东，该公司每季度定期派发股息。免费赠送新股有意义吗？当然不会，因为这会稀释所有现有股东的股息。PoS 中存在类似的激励结构，因为每个新验证者都会稀释所有现有验证者的收入。理论上，验证者可以简单地审查每笔添加新验证者的交易，但在实践中，我认为这种愚蠢的方法不太可能。这将非常引人注目，并会立即破坏以太坊“去中心化”的形象，也可能会降低其代币的价格。我认为可以改用更微妙的方法。例如，这些规则会随着时间的推移而逐渐改变，使得成为验证者变得更加困难，从而证明了网络的“安全性”或“效率”。任何以牺牲新验证者为代价来丰富现有验证者的政策都意味着经济利益因素，无论是否大声说出来。在这里，我们可以开始理解为什么 PoS 倾向于走向寡头政治。
Casper算法概述
既然我们知道了 PoS 背后的一般策略，那么该算法实际上是如何工作的呢？与断点和 slashing 相关的基本思想在一个名为 Casper 的算法中得到了阐述。我们将从它开始。Casper 本身实际上并没有定义任何关于如何生成块的内容，而是定义了一个通用方案，用于在已经存在的区块链树上覆盖检查点和斜线策略。
首先，选择某个任意常数 C 作为断点之间的间隔，它决定了断点之间通过的块数。例如，如果 C=100，则断点将出现在块 0、100、200 等中。然后所有节点投票决定哪个控制块应该是下一个“批准”（或“合理”，如果更接近原始合理）控制点。验证者实际上不是为每个块单独投票，而是投票给检查点对 (s,t)，这些检查点将一些先前合理的源 s 链接到一些新的目标检查点 t。如果检查点 (s,t) 收到 2/3 的大多数验证者，则 t 成为新的有效检查点。
在此图中，函数 h(b) 代表“检查点高度”——例如，一个块的高度是 100 的倍数。您可能已经注意到，并非每 100 个块都会被批准为检查点：这个如果投票在某个高度或其他高度失败，则可能不会发生。例如，假设在高度 200 处，两个单独的控制点各获得 50% 的选票。由于两次投票是一种严重的违法行为，可以通过削减来惩罚，除非一部分验证者自愿被削减以获得 2/3 的选票，否则系统将陷入困境。每个人的解决方案是简单地“跳过”断点 200 并在块 300 处“重试”。
如果一个检查点被批准，并不意味着它已经完成。一个航路点被认为是最终确定的，它必须在下一个可能的高度接连出现另一个经批准的航路点。例如，如果断点 0、200、400、500 和 700 已被批准并链接，则只有断点 400 将被视为“已完成”，因为它紧随其后，没有间隙，是另一个已批准的检查点。
由于术语非常精确，让我们简要回顾一下这里讨论的三个类别。“检查点”是在高度 C*n 处添加的任何块，因此在 C=100 时，高度为 0、100、200、300 等的每个块都将是一个断点。即使在高度 200 创建了两个块，它们都将是“检查点”。如果一个检查点是高度为 0 的根块或 2/3 的验证者投票链接某些先前批准的和当前的检查点，则该检查点被认为是“合理的”。如果一个批准的修正随后链接到下一个可能高度的下一个批准的修正，则该修正被认为是“最终确定的”。并非每个里程碑都必须获得批准，也不是每个批准的里程碑都会最终确定，
Casper 协议中的 Slashing 规则
Casper 中的 slashing 规则的设计方式是，两个最终的检查点不可能存在于两个独立的分叉中，除非至少 1/3 的验证者冒充 slash 违反了规则。换句话说，只有最终确定的断点才应该被认为是明确的“真实”块。甚至可能在一个分叉的两个分支上都出现两个已批准的检查点，但不会出现两个最终确定的检查点。也无法保证下一个最终确定的检查点将在何时何地发生；在区块链分裂的情况下，你必须坐下来等待一个最终区块出现在一个分支上——然后你就会知道这是“正确的”分支。
Casper 有两个强制执行此属性的 slashing 规则：
第一条规则禁止对具有相同目标高度的断点进行两次投票，因此如果验证者对目标高度为 200 的两个不同断点进行投票，则会受到斜线的惩罚。这条规则的目的是防止链分裂成两个相同高度的不同批准检查点，因为这需要总验证人投票的 2/3 + 2/3 = 4/3，这意味着至少 1/3验证者违反了削减规则。然而，正如我们之前看到的，可以在给定的区块高度“跳过”批准的控制点。是什么阻止了区块链在两个不同的目标高度分裂？例如，断点 200 不能在不暴露任何人的情况下分支到高度 300 和 400 处的已批准断点吗？
这就是第二条规则发挥作用的地方，它基本上可以防止验证者以不一致的“三明治”方式对检查点进行投票。也就是说，如果验证者同时投票支持 300→500 和 200→700，这将是违规行为，将受到惩罚。在区块链分裂的情况下，如果一个分支有一个最终的检查点，那么另一个分支不能在更高的高度有一个已批准的检查点，除非至少 1/3 的验证者违反规则 #2。为了理解为什么，假设区块链分裂为批准的检查点 500→800 和 500→900，然后在第一个分支的某个时间点形成了最终的检查点 1700→1800。由于 1700 和 1800 都只能在 fork #1 上获得批准（假设 没有人违反第一条削减规则），2 号分叉在 1800 年之后形成批准的检查点的唯一可能性是，如果在高度 <1700 和 >1800 之间存在某种链接，这是一个经过验证的链接。但是由于这样的投票将是链接 1700→1800 的“三明治”，并且需要 2/3 的选票，而 2/3 的选票已经收集了 1700→1800，那么至少有 1/3 的验证者将不得不打破规则＃2。Casper 的官方描述有一个可视化的K线走势图来描述这个属性：但是由于这样的投票将是链接 1700→1800 的“三明治”，并且需要 2/3 的选票，而 2/3 的选票已经收集了 1700→1800，那么至少有 1/3 的验证者将不得不打破规则＃2。Casper 的官方描述有一个可视化的K线走势图来描述这个属性：但是由于这样的投票将是链接 1700→1800 的“三明治”，并且需要 2/3 的选票，而 2/3 的选票已经收集了 1700→1800，那么至少有 1/3 的验证者将不得不打破规则＃2。Casper 的官方描述有一个可视化的K线走势图来描述这个属性：
就是这样——只要遵循 Casper 的规则，你会没事的
只要遵守规则，你的积蓄就不会用完
看起来很简单，对吧？当然，我确信 PoS 只会将削减作为维持共识的最后手段，而不是作为一种勒索机制来迫使验证者以某种方式行事……对吧？
这给我们带来了 PoS 的第三个原则：没有规则。“规则”是其他人所说的。
– 我们所有的游戏迟早都会变成开尔文球。– 不要作弊
今天，您的节点可能在技术上遵循 Casper 的所有规则，明天您的储蓄可能会被提取 – 仅仅是因为您正在做其他人不喜欢的事情。你上次批准了红色交易的团队吗？明天，由“蓝衣队”组成的大多数人可能会削减您的押金。或者，相反，你错过了太多的红色交易？那么明天由“红军”组成的多数人可以惩罚你的审查制度。这种对参与者进行直接经济处罚的机会远远超过了 OFAC（美国外国资产控制办公室）的适度审查权力。PoS 就像一场持续的墨西哥对抗，其中总是隐含着削减的威胁。
如果双方都在有争议的硬分叉中硬编码另一个分叉的验证规则，我不会感到惊讶，以防万一他们想惩罚任何加入“错误”一方的人。当然，这将是“核”选项，而且与核武器一样，双方只能在报复中选择报复。我建议大多数个人验证者是“中立的”，因为他们更喜欢经济上的自我保护而不是政治上的自我牺牲，但如果他们认为这是避免被削减的正确举措，他们可能会表面上“站在一边”。
现在是几奌？
现在，有了对断点和罚没的基本了解，我们可以直接进入以太坊中使用的称为 Gasper 的算法。顾名思义，这是我们已经讨论过的 Casper 和 GHOST（一种在检查点之间选择“最佳”区块链的策略）的组合。
关于 Gasper，首先要了解的是时间本身是主要的自变量。现实世界的时间被划分为 12 秒的单位，称为“槽”，每个槽最多包含一个块。这些槽依次形成更大的组，称为 epoch，每个 epoch 指的是一个检查点。每个 epoch 包含 32 个时隙，时长为 6.4 分钟。值得注意的是，与 PoW 相比，这种范式颠倒了时间和出块之间的因果关系。在 PoW 中，创建块是因为找到了一个有效的哈希值，而不是因为距离上一个哈希值已经过去了足够长的时间。但是在 Gasper 中，由于已经有足够的实时时间移动到下一个插槽，所以会产生块。我只能猜测 这样的系统原则上会遇到什么复杂的同步错误，特别是如果我们谈论的不是在一台计算机上运行的一个程序，而是全球数以万计的计算机试图相互同步。只能希望以太坊的开发者熟悉程序员对时间的误解清单。
现在，假设您正在运行一个验证器节点并首次同步区块链。仅从某些块引用某些时间戳的观察来看，您如何确定这些块实际上是在那个时候产生的？如果块的形成不涉及任何额外的工作，那么一群恶意的验证者难道不能从创世块本身完全模仿一个假区块链吗？如果你看到两个相互竞争的区块链，你如何确定哪一个是真实的？
这给我们带来了 PoS 的第四个原则，即 PoS 依赖于主观真理。根本没有客观的方法可以在两个相互竞争的区块链之间进行选择，网络上的任何新节点最终都必须信任一些现有的事实来源才能解决任何歧义。这与比特币形成鲜明对比，在比特币中，“真正的”链始终是完成工作最多的链。一千个节点可以将您指向分支 X，但如果一个节点广播分支 Y 并且它包含更多工作，则 Y 是真实状态。区块头可以证明自己的价值，完全不需要信任。
通过依赖主观真理，PoS 带回了对信任的需求。我承认我可能有些偏见，所以如果你想听听不同的观点，那么在这篇文章中 Vitalik 描述了他的观点。我也承认，在实践中，考虑到 Casper 的规则，区块链分裂似乎不太可能，但即便如此，我还是对比特币感到安心，这种可能性根本不可能。
区块创建和投票
既然我们已经熟悉了 slot 和 era，那么单个区块是如何创建和投票的呢？在每个 epoch 开始时，全套验证者“随机”分成 32 组，每个组一组。在每个插槽中，“随机”选择一个验证者作为区块生产者，其余的作为投票者（或“证明者”）。我将“随机”括在引号中，因为该过程必须是确定性的，因为每个人都必须明确同意同一组验证器。然而，这个过程也必须是不可利用的，因为作为一个区块生产者是一个非常特权的职位，因为可以通过矿工可提取价值获得额外的利润，或者现在称为最大可提取价值。
一旦创建了一个块，其他验证者如何投票或“验证”它？区块提案应该在时隙的前半部分（6 秒）进行，并且在后半部分进行评分，所以理论上评分者应该有足够的时间来投票给他们时隙的区块。但是，如果区块的作者离线、无法连接或构建在坏区块上，会发生什么？评估者的工作不一定是对该插槽的区块进行投票，而是在给定时间从他们的角度来看哪个区块“看起来最好”。在正常情况下，这通常是来自给定槽的块，但如果出现问题，可能是较旧的块。但从技术角度来看，这意味着什么：哪个区块“看起来最好”？这就是 GHOST 算法的用武之地。
GHOST 代表“Greediest Heaviest Observed SubTree”，是一种“贪婪”递归算法，用于查找具有最新“最近活动”的块。本质上，该算法将所有最近的块视为一棵树并遍历树，贪婪地选择在该子分支中具有最多上涨证明的分支。只有每个验证者的最新证明才计入此数量，最终该过程在其中一个叶块处停止。
证明不仅是对当前最佳区块的投票，而且是对导致该区块的最新里程碑的投票。值得注意的是，在 Gasper 中，断点基于 epoch，而不是块高度。每个 epoch 正好指代一个控制块，它可以是该 epoch 第一个时隙中的块，或者如果省略了该时隙，则是该时隙之前的最后一个块。如果 epoch 以某种方式错过了所有时隙，则同一个块理论上可以是两个不同 epoch 中的检查点，因此使用 epoch-block 对表示检查点。在下图中，EBB 代表 Epoch Boundary Block，代表特定 epoch 的检查点，
与 Casper 一样，一个检查点在证明总数超过 2/3 时获得批准，如果在下一个 epoch 紧接着另一个批准的检查点紧随其后，则最终确定。下图显示了此投票如何进行的示例。
Gasper 的 slashing 有两个条件，类似于 Casper 的规则：
- 你不能在同一个时代投票两次。
- 验证者投票支持的检查点不能与他们投票支持的其他时代的其他检查点相交或重叠。
尽管基于 epoch 而不是块高度，Casper 的规则仍然确保两个最终的检查点不会在不削减 1/3 的验证者的情况下出现在区块链的不同分支上。
还值得注意的是，证明直接包含在块本身中。就像在 PoW 中一个块用自己的哈希证明它的身份一样，PoS 中一个完整的检查点通过它过去的所有证明来证明它的身份。当有人违反惩罚规则时，这些不良证明会包含在确认违规的区块中。为了激励惩罚违规者，对包含违规行为的区块生产者也有少量奖励。
分叉
想想在分叉事件中会发生什么是很有趣的。让我简单提醒一下，分叉是共识规则的变化，分为硬分叉和软分叉两种。在硬分叉中，新规则不向后兼容，如果不是每个人都支持并安装实施新规则的更新，这可能会导致两个相互竞争的区块链。在软分叉中，新规则比旧规则更具限制性，但仍保持向后兼容。一旦超过 50% 的矿工或验证者开始应用新规则，共识机制就会在不分裂区块链的情况下切换。软分叉通常与升级和新型交易相关，但从技术上讲，它们还包括 51% 多数人施加的任何类型的审查。PoS 中还有第三种类型的“分叉”，在 PoW 中没有：在不改变其规则的情况下拆分区块链。但由于我们已经讨论过这个，我们将重点关注硬分叉和软分叉。
让我们从最简单的情况开始：一个单独的有争议的硬分叉。我所说的有争议是指在政治上划分用户的变化。错误修复或较小的技术更改不太可能引起争议，但可能会引起验证奖励的更改。如果硬分叉足够有争议，它可能会导致区块链的分裂，并且可以通过用户出售一条链并购买另一条链来经济地解决。这类似于 2017 年比特币现金硬分叉，似乎有一个明显的赢家：
现在假设验证者有一天认为他们没有得到足够的报酬，并决定将他们的奖励从 5%/年增加到 10%/年。这将是一个明显的权衡，有利于验证者，而牺牲非验证者。在区块链分裂的情况下，哪个分支将获胜？
这就引出了 PoS 的第五条原则：金钱就是力量。在流通的 1.2 亿个 ETH 中，超过 10% 是质押，如下图所示。
如果验证者和非验证者之间发生有争议的硬分叉，假设所有非验证者都以市场价格抛售新链的代币，并且所有验证者都以市场价格抛售旧链的代币，那么理论上旧链会赢，因为大部分 ETH 仍将属于非验证者（90% 对 10%）。但还有几点需要考虑。首先，在任何分裂之后，验证者仍将“控制”两个区块链。如果验证者可以影响另一条链，那么他们可能有兴趣看到它失败。其次，还有一个“核选项”，正如我上面提到的，新链可以削减（删除质押品）所有继续验证旧链的人，以迫使他们加入新链。最后，验证者可能会对网络的其余部分产生重大的社会和政治影响。如果 Vitalik、以太坊基金会和交易所一致决定他们将提高质押奖励，我很难相信普通的以太坊用户和验证者将能够保留旧版本的区块链，并让通过购买压力它更有价值。
继续讨论软分叉，有争议的软分叉会发生什么，例如满足 OFAC 审查要求的软分叉？验证器相当中心化，如下图所示。
与 PoW 不同，矿工可以通过点击几个按钮从一个矿池切换到另一个矿池，在以太坊中，验证者与质押合约绑定，直到他们的退出交易得到处理。如果 Lido 和主要交易所被迫审查某些交易，他们将轻松克服决定检查点所需的 2/3 多数。我们之前看到 Vitalik 和其他 ETH 验证者如何尝试通过形成自己的反审查硬分叉来对抗“审查”软分叉，从而在此过程中破坏审查员的承诺。但是，即使他们设法创建了一个成功的分叉，很多价值也会在这个过程中被破坏，无论是在削减还是由于失去信任。
综上所述
在本文中，我们研究了 PoS 如何使用 Gasper 解决双重支出问题，这是一个名为 Casper 的协议（它定义了有关检查点和罚没的规则）和一个名为 GHOST 的“最佳区块”选择规则的组合。让我简单提醒一下，Gasper 将时间划分为称为 slot 的单位，每个 slot 最多可以包含一个块，并且 slot 被分组为 epoch，其中每个 epoch 指的是一个控制点。如果 2/3 多数投票支持某个里程碑，则该里程碑将获得批准（或“合理”，原为合理），并且如果以最小间隔连续成功批准两个里程碑，则第一个里程碑被视为最终确定。一旦检查点最终确定，就不可能最终确定平行链，
在这个过程中，我们确定了 PoS 的五项原则：
- PoS 使用负（基于惩罚）的激励结构。
- PoS 是一个具有不同访问级别的系统。
- PoS 没有明确的规则。
- PoS 依赖于主观真理。
- 在 PoS 中，金钱就是力量。
这些原则中的每一个都与 PoW 相反：
- PoW 使用积极的（基于奖励的）激励系统。
- PoW 是一个没有访问级别的系统：任何人都可以随时开始或停止挖矿。
- 在 PoW 中，改变规则的分叉会被忽略。
- PoW 依赖于客观事实。
- 在 PoW 中，矿工为用户服务，自己的权力很小。
我相信每个人都应该努力创造一个他自己想要生活的世界。如果像我一样，你想生活在一个没有不同级别访问权限的世界里，你可以控制你的钱，努力工作得到回报，被动拥有是一种责任，你的钱将在很长一段时间内保持其价值，而无需改变谁是一时兴起，那么你应该仔细考虑 PoW 和 PoS 之间的妥协，并为你想要生活的原则而奋斗。